Wie lassen sich die Eigenschaften eines Materials gezielt steuern – ohne verschiedene Werkstoffe zu kombinieren?Programmierbare Materialien machen genau das möglich. Ihr Geheimnis liegt im Elementarzellenkonzept: Die mechanischen Eigenschaften und das Verformungsverhalten einer einzelnen Elementarzelle lassen sich auf größere Verbünde übertragen und durch gezielte Wahl von Konstruktionsparametern präzise einstellen. Dieser Demonstrator macht dieses Prinzip buchstäblich greifbar.
Die Miura-Ori-Zelle als Grundbaustein
Grundlage dieses Exponats ist die Miura-Ori-Zelle – eine Faltstruktur mit einer besonderen Eigenschaft: Sie verhält sich auxetisch. Das bedeutet, dass sich die Zelle beim Dehnen in Längsrichtung gleichzeitig auch in der Querrichtung ausdehnt – ein Verhalten, das in der Natur selten und in der Technik äußerst nützlich ist. Dieses charakteristische Verhalten überträgt sich auf 2D- und 3D-Verbünde aus Miura-Ori-Zellen und lässt sich durch die Wahl der Konstruktionsparameter – insbesondere des sogenannten Versatzes – gezielt anpassen.
Anwendungsbeispiel: Die programmierbare Schuhsohle
Eine besonders anschauliche Anwendung dieses Prinzips ist eine Schuhsohle aus Programmierbarem Material. Je nach Bereich des Fußes stellt die Sohle unterschiedliche biomechanische Anforderungen – und genau hier spielt das Elementarzellenkonzept seine Stärken aus. Im Bereich des Vorderfußes und der Ferse sorgt ein hoher Versatz – erkennbar an den ausgeprägten Spitzen der Struktur – für eine hohe Steifigkeit. Die Sohle widersteht hier dem Druck, der etwa durch das Körpergewicht des Trägers entsteht, zuverlässig. Der Mittelfußbereich hingegen ist durch einen geringen Versatz bewusst weicher und biegsamer gestaltet, um eine natürliche Abrollbewegung des Fußes zu unterstützen.
Ein Material – vielfältige Eigenschaften
Das Besondere: Die gesamte Sohle besteht aus ein und demselben Werkstoff. Die unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften in den einzelnen Bereichen werden ausschließlich durch die Geometrie der Elementarzellen erzeugt – kein Materialmix, keine Verbundkonstruktion. Das eröffnet nicht nur neue gestalterische Freiheiten, sondern schafft auch eine wichtige Grundlage für nachhaltiges Recycling: Da nur ein einziger Werkstoff verwendet wird, lässt sich die Sohle am Ende ihrer Lebensdauer deutlich einfacher und effizienter wiederverwerten.
Die Programmierbare Schuhsohle im merlin Magazin (7/2025): Mit beiden Beinen in der Materialzukunft – Wie Programmierbare Materialien unseren Laufkomfort erhöhen können…
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